MAGNEETTIKENTTÄ: INTENSITEETTI, OMINAISUUDET, LÄHTEET, ESIMERKIT - FYYSINEN - 2025

Magneettikenttä on vaikutusta, että siirtyminen sähkövarauksia olla tilaa, että ympäröi heitä. Latauksissa on aina sähkökenttä, mutta vain ne, jotka ovat liikkeessä, voivat tuottaa magneettisiä tehosteita.

Magneettisuuden olemassaolo on ollut tiedossa jo kauan. Muinaiset kreikkalaiset kuvasivat mineraaleja, jotka kykenevät houkuttelemaan pieniä rautapalasia: se oli lodestoni tai magnetiitti.

Kuva 1. Magnetiittinäyte. Lähde: Wikimedia Commons. Rojinegro81.

Miletusin ja Platonin viisaat Thales olivat kiireisesti nauhoittaneet magneettitehosteita kirjoituksiinsa; muuten, he tiesivät myös staattisen sähkön.

Mutta magneettisuus liittyi sähköön vasta 1800-luvulla, kun Hans Christian Oersted havaitsi, että kompassi poikkesi sähköä johtavan viiran läheisyydessä.

Tänään tiedämme, että sähkö ja magnetismi ovat niin sanotusti saman kolikon kaksi puolta.

Fysiikan magneettikenttä

Fysiikassa termi magneettikenttä on vektorimäärä, jolla on moduuli (sen numeerinen arvo), suunta avaruudessa ja mielessä. Sillä on myös kaksi merkitystä. Ensimmäinen on vektori, jota joskus kutsutaan magneettiseksi induktioksi ja jota merkitään B: llä.

B- yksikkö kansainvälisessä yksikköjärjestelmässä on tesla, lyhennetty T. Toinen määrä, jota kutsutaan myös magneettikentäksi, on H, joka tunnetaan myös nimellä magneettikentän voimakkuus ja jonka yksikkö on ampeeri / metri.

Molemmat suureet ovat suhteellisia, mutta ne määritetään tällä tavalla ottamaan huomioon vaikutukset, joita magneettisilla materiaaleilla on niiden läpi kulkeviin kenttiin.

Jos materiaali sijoitetaan ulkoisen magneettikentän keskelle, syntyvä kenttä riippuu tästä ja myös materiaalin omasta magneettisesta vasteesta. Siksi B ja H liittyvät toisiinsa:

B = μ _m H

Tässä μ _m on vakio, joka riippuu materiaalista ja jolla on sopiva yksiköitä niin, että kun kertomalla H tulos on Tesla.

C

-Magneettikenttä on vektoriarvo, joten sillä on suuruus, suunta ja aisti.

-Magneettikentän B yksikkö kansainvälisessä järjestelmässä on tesla, lyhennettynä T, kun taas H on ampeeri / metri. Muita yksiköitä, joita esiintyy usein kirjallisuudessa, ovat gauss (G) ja oersted.

- Magneettiset kenttäviivat ovat aina suljettuja silmukoita, jotka jättävät pohjoisnavan ja saapuvat etelänapaan. Kenttä on aina tangentti viivoille.

-Magneettiset navat esitetään aina pohjois-etelä-parina. Erillistä magneettinapaa ei ole mahdollista.

-Se on aina peräisin sähkövarausten liikkeestä.

- Sen intensiteetti on verrannollinen kuorman suuruuteen tai sitä tuottavan virran suuruuteen.

-Magneettikentän suuruus pienenee etäisyyden neliön käänteisen kanssa.

-Magneettiset kentät voivat olla vakioita tai muuttuvia, sekä ajassa että tilassa.

- Magneettikenttä pystyy kohdistamaan magneettisen voiman liikkuvalle varaukselle tai virtaa kuljettavalle johdolle.

Magneetin navat

Baarimagneetissa on aina kaksi magneettista napaa: pohjanapa ja etelänapa. On erittäin helppo tarkistaa, että saman merkin navat torjuvat, kun taas erityyppiset navat vetäytyvät.

Tämä on melko samanlainen kuin mitä tapahtuu sähkövarauksille. Voidaan myös havaita, että mitä lähempänä niitä ovat, sitä suurempi voima on, jolla ne houkuttelevat tai hylkivät toisiaan.

Baarimagneeteilla on erottuva kenttälinjojen kuvio. Ne ovat teräviä käyriä, jättäen pohjoisnavasta ja tullessaan etelänapaan.

Kuva 2. Sauvamagneetin magneettikenttäviivat. Lähde: Wikimedia Commons.

Yksinkertainen kokeilu näiden viivojen tarkastelemiseksi on levittää rautaleikkeet paperiarkin päälle ja laittaa sauvamagneetti alla.

Magneettikentän voimakkuus ilmoitetaan kenttälinjojen tiheyden funktiona. Nämä ovat aina tiheimpiä napojen lähellä, ja ne leviävät, kun siirrymme pois magneetista.

Magneetti tunnetaan myös nimellä magneettinen dipoli, jossa kaksi napaa ovat tarkalleen pohjoisen ja etelän magneettinavat.

Mutta niitä ei voida koskaan erottaa. Jos leikkaat magneetin puoliksi, saat kaksi magneettia, molemmilla vastaavat pohjoisen ja eteläisen napojen kanssa. Eristettyjä pylväitä kutsutaan magneettisiksi monopoleiksi, mutta toistaiseksi niitä ei ole eristetty.

Lähteet

Voidaan puhua erilaisista magneettikentän lähteistä. Ne vaihtelevat magneettisista mineraaleista, maan läpi, joka käyttäytyy kuin suuri magneetti, sähkömagneetteihin.

Mutta totuus on, että jokainen magneettikenttä on peräisin varautuneiden hiukkasten liikkeestä.

Myöhemmin näemme, että kaiken magnetismin ensisijainen lähde sijaitsee pienissä pienissä virroissa atomin sisällä, lähinnä sellaisissa, jotka syntyvät elektronien liikkumisen kautta ytimen ja atomissa olevien kvanttivaikutusten takia.

Makroskooppisen alkuperän suhteen voidaan kuitenkin ajatella luonnollisia lähteitä ja keinotekoisia lähteitä.

Luonnolliset lähteet eivät periaatteessa "sammu", ne ovat kestomagneetteja, mutta on otettava huomioon, että lämpö tuhoaa aineiden magneettisuuden.

Mitä keinotekoisiin lähteisiin, magneettinen vaikutus voidaan vaimentaa ja hallita. Siksi meillä on:

- Luonnollisia alkuperäisiä magneetteja, jotka on valmistettu esimerkiksi magnetiitista ja maghemiitistä, molemmat esimerkiksi rautaoksideista.

-Sähkövirrat ja sähkömagneetit.

Magneettiset mineraalit ja sähkömagneetit

Luonnossa on erilaisia ​​yhdisteitä, joilla on merkittäviä magneettisiä ominaisuuksia. Ne kykenevät houkuttelemaan esimerkiksi rauta- ja nikkelikappaleita sekä muita magneetteja.

Mainitut rautaoksidit, kuten magnetiitti ja maghemiitti, ovat esimerkkejä tästä aineluokasta.

Magneettinen herkkyys on parametri, jota käytetään kivien magneettisten ominaisuuksien kvantifiointiin. Peruselämättömät kivit ovat niitä, joilla on suurin alttius johtuen korkeasta magnetiittipitoisuudestaan.

Toisaalta, niin kauan kuin sinulla on virta kuljettava lanka, siihen liittyy magneettikenttä. Tässä meillä on toinen tapa muodostaa kenttä, joka tässä tapauksessa tapahtuu samankeskisinä ympyröinä langan kanssa.

Pellon liikesuunta annetaan oikean peukalon säännöllä. Kun oikean käden peukalo osoittaa virran suuntaan, neljä jäljellä olevaa sormea ​​osoittavat suunnan, jossa kenttäviivat taivutetaan.

Kuva 3. Oikean peukalon sääntö magneettikentän suunnan ja tunteen saamiseksi. Lähde: Wikimedia Commons.

Sähkömagneetti on laite, joka tuottaa magneettisuutta sähkövirroista. Sen etuna on, että se voidaan kytkeä päälle ja pois päältä haluamallaan tavalla. Kun virta loppuu, magneettikenttä katoaa. Lisäksi kenttävoimakkuutta voidaan myös säätää.

Sähkömagneetit ovat osa erilaisia ​​laitteita, mukaan lukien kaiuttimet, kiintolevyt, moottorit ja releet.

Magneettinen voima liikkuvassa varauksessa

Magneettikentän B olemassaolo voidaan tarkistaa testisähköllä, joka kutsutaan q- ja joka liikkuu nopeudella v. Tätä varten sähkö- ja gravitaatiokenttien läsnäolo on ainakin toistaiseksi poissuljettu.

Tällöin varauksen q kokema voima, jota kutsutaan F _{B: ksi}, johtuu kokonaan kentän vaikutuksesta. Laadullisesti havaitaan seuraava:

-The suuruus F _B on verrannollinen q ja nopeus v.

-Jos v on yhdensuuntainen magneettikentän vektorin suuruus F _B on nolla.

-Magneettinen voima on kohtisuora sekä v: n että B: n suhteen.

- Viime kädessä magneettisen voiman suuruus on verrannollinen syntiin θ, missä θ on nopeusvektorin ja magneettikenttävektorin välinen kulma.

Kaikki yllä oleva pätee sekä positiivisiin että negatiivisiin maksuihin. Ainoa ero on, että magneettisen voiman suunta on päinvastainen.

Nämä havainnot ovat yhtä mieltä kahden vektorin välisestä vektorituotteesta siten, että pistevarauksella q koettu magneettinen voima, joka liikkuu nopeudella v magneettikentän keskellä, on:

F _B = q v x B

Kenen moduuli on:

Kuva 4. Oikeanpuoleinen sääntö magneettiseen voimaan positiivisessa pistevarauksessa. Lähde: Wikimedia Commons.

Kuinka magneettikenttä syntyy?

On olemassa useita tapoja, esimerkiksi:

-Magnetoimalla sopiva aine.

- Sähkövirran johtaminen johtavan johtimen läpi.

Mutta aineen magneettisuuden alkuperä selitetään muistamalla, että sen on liityttävä varausten liikkeeseen.

Ydin kiertävä elektroni on olennaisesti pieni suljettu virtapiiri, mutta sellainen, joka kykenee edistämään olennaisesti atomin magneettisuutta. Magneettisessa materiaalikappaleessa on erittäin paljon elektroneja.

Tätä panosta atomin magnetismiin kutsutaan kiertoradan magneettiseksi momentiksi. Mutta on enemmän, koska käännös ei ole ainoa elektronin liike. Sillä on myös magneettinen spin-momentti, kvanttiefekti, jonka analogia on elektronin kiertyminen sen akselilla.

Itse asiassa spinnin magneettinen momentti on tärkein syy atomin magneettisuuteen.

Tyypit

Magneettikenttä pystyy olemaan monenlaisia, riippuen siitä lähtevien virtojen jakautumisesta. Se voi puolestaan ​​vaihdella paitsi avaruudesta, myös ajasta tai molemmista samanaikaisesti.

- Sähkömagneetin napojen läheisyydessä on suunnilleen vakiokenttä.

- Myös solenoidin sisällä saadaan korkea intensiteetti ja tasainen kenttä, kenttäviivojen ollessa suunnattu akselin suuntaan.

-Maan magneettikenttä lähestyy melko hyvin tankkimagneetin kenttää, etenkin pinnan läheisyydessä. Kauempana aurinkotuuli muuttaa sähkövirtoja ja muodostaa sen huomattavasti.

- Virtaa kuljettavassa johtimessa on kenttä samankeskisten ympyröiden muodossa langan kanssa.

Mitä kentässä voi vaihdella ajan myötä, meillä on:

- Staattiset magneettikentät, kun niiden suuruus tai suunta eivät muutu ajan myötä. Baarimagneetin kenttä on hyvä esimerkki tällaisesta kentästä. Myös ne, jotka ovat peräisin johdoista, jotka kuljettavat kiinteitä virtauksia.

- Vaihtelevat kentät ajan kuluessa, jos jokin niiden ominaisuuksista vaihtelee ajan myötä. Yksi tapa saada niitä on vaihtovirtageneraattoreista, jotka hyödyntävät magneettisen induktion ilmiötä. Niitä löytyy monista yleisesti käytetyistä laitteista, esimerkiksi matkapuhelimista.

Biot-Savartin laki

Kun vaaditaan laskemaan virtojen jakautumisen tuottaman magneettikentän muoto, voidaan käyttää Biot-Savart-lakia, jonka ranskalaiset fyysikot Jean Marie Biot (1774-1862) ja Felix Savart (1791-1841) löysivät vuonna 1820.).

Joillekin virranjakaumille, joissa on yksinkertaisia ​​geometrioita, voidaan saada suoraan matemaattisen kentän vektori.

Oletetaan, että meillä on eripituinen dl-johtosegmentti, joka kuljettaa sähkövirran I. Vaijerin oletetaan olevan myös tyhjiössä. Magneettikenttä, joka tuottaa tämän jakauman:

- Vähenee langan etäisyyden neliön käänteisen verran.

-Se on verrannollinen langan läpi kulkevan virran I voimakkuuteen.

- Sen suunta on tangentiaalinen säteen ympärysmittaan, joka on keskitetty lankaan, ja sen suunta annetaan oikean peukalon säännöllä.

- μ _o = 4π. 10 - ⁷ Tm / A

- d B on magneettikenttäero.

- I on langan läpi virtaavan virran voimakkuus.

- r on etäisyys langan keskipisteen ja sen pisteen välillä, josta haluat löytää kentän.

-r on vektori, joka kulkee johdosta pisteeseen, johon haluat laskea kentän.

esimerkit

Alla on kaksi esimerkkiä magneettikentästä ja niiden analyyttisistä ilmaisuista.

Magneettikenttä, jonka tuottaa erittäin pitkä suoraviivainen lanka

Biot-Savart-lain avulla on mahdollista saada kenttä, jonka tuottaa ohut äärellinen johdinlanka, jolla on virta I. Integroimalla johdin pitkin ja ottamalla rajoittava tapaus, jossa se on hyvin pitkä, kentän suuruus tulos:

Helmholtz-kelan luoma kenttä

Helmholtz-kela koostuu kahdesta identtisestä ja samankeskisestä pyöreästä kelasta, joihin sama virta johdetaan. Niiden avulla luodaan siihen suunnilleen tasainen magneettikenttä.

Kuva 5. Kaavio Helmholtz-keloista. Lähde: Wikimedia Commons.

Sen suuruus kelan keskellä on:

Y on suunnattu akselin suuntaan. Yhtälön tekijät ovat:

- N edustaa käämien lukumäärää

- Olen virran suuruus

- μ _o on tyhjön magneettinen läpäisevyys

- R on käämien säde.

Viitteet

1. Figueroa, D. (2005). Sarja: Fysiikka tiedelle ja tekniikalle. Osa 1. Kinematiikka. Toimittanut Douglas Figueroa (USB).
2. Magneettikentän voimakkuus H. Palautettu: 230nsc1.phy-astr.gsu.edu.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Fysiikka: Katso maailmaa. Kuudes lyhennetty painos. Cengagen oppiminen.
4. Magneettikenttä ja magneettiset voimat. Palautettu osoitteesta: physics.ucf.edu.
5. Rex, A. 2011. Fysiikan perusteet. Pearson.
6. Serway, R., Jewett, J. (2008). Fysiikka tiedettä ja tekniikkaa varten. Osa 2 Ed. Cengage Learning.
7. Vigon yliopisto. Esimerkkejä magnetismista. Palautettu osoitteesta: quintans.webs.uvigo.es